揭秘单路光纤滑环技术路径

      光纤滑环是在上世纪80年代发明出来的，用于解决旋转面与静止面之间的光路传输问题，通常可分为单通道光纤滑环和多通道光纤滑环两种，其中单通道光纤滑环体积小，结构相对简单，成本较低，因而得到大量使用。单通道光纤滑环和多通道光纤滑环在原理上有本质的区别，单通道是通过将光路放在旋转轴心上消除离轴旋转来实现解旋转的，多通道则是通过棱镜、透镜和传动机构，通过反射折射等光学手段实现解旋转的。

最初的方式是讲两个处理过的光纤端面直接对准来实现的，如下图所示：

图1 单路光纤滑环示意

     由于光纤芯径很细，特别是单模光纤纤芯只有9μm，对结构件的加工精度提出了极高的要求，且由于转动过程中需要保持对准状态，对轴承的精度也是很大考验。光纤连接器之所以能对准是因为两端的陶瓷插芯由同一个过盈配合的陶瓷套筒进行限位来保证的，而光纤滑环由于需要高速旋转，无法使用陶瓷套筒来进行限位。由于光纤直接对准对机械结构的精度和稳定性要求太高，实现起来太过困难，这个方式逐渐被放弃，通过透镜进行扩束后再耦合的方式成为单路光纤滑环的主流方式。

    扩束式光纤滑环是采用在光纤末端添加透镜，使光纤输出的发散光转换为能够在空间长距离传输的近似平行光束，再在接收端的光纤前添加同样的透镜，把空间光再重新耦合入光纤中。扩束后的光束直径通常可以达到0.3mm左右，比单模光纤的芯径扩大了三十多倍，大大降低了对机械结构精度的要求，使得光纤滑环有了量产的可能。

图2 透镜扩束示意图

    光纤准直器使用的透镜有两种，一种是通过渐变折射率来实现输出光准直的，即G-lens；另一种则是通过透镜端面形状来实现输出光准直的，即C-lens。由于调整端面形比改变折射率更加容易，C-len自问世以来用途越来越光，G-lens只在需要端面贴片的情况下才会被使用。

       单路光纤滑环的技术难点主要在于如何将光纤准直器出射光束精确的放置在与旋转轴心重合的位置，并且在使用过程中保持高度稳定。由于光纤准直器的出射光束与其物理外圆并不同轴，因此无以准直器的外圆作为基准进行定位，通常是需要借助光学手段进行调试实现的，调试的方法、封装工艺则是各厂家的技术秘密。